發布日期：2022-04-22 點擊率：195
摘要：本文介紹適用于多輸入多輸出專用運動控制器硬件平臺。該平臺能夠實現多傳感器信號采集、信息融合、位置控制算法、網絡功能、多路輸出給驅動系統，實現信息/能量轉換。
1 引言
隨著嵌入式技術的迅速發展，其在工業控制領域得到了廣泛應用。因此將嵌入式技術與運動控制技術相結合，研制出高速高精度嵌入式運動控制器具有重要意義。本文設計了一種以TMS320VC5402為核心處理器，適用于多輸入多輸出專用運動控制器硬件平臺。該平臺能夠實現多傳感器信號采集、信息融合、位置控制算法、網絡功能、多路輸出給驅動系統，實現信息/能量轉換。
2 運動控制器平臺硬件設計
2.1 運動控制器系統硬件結構
根據運動控制器接口要求將系統分為主電路和外設兩個部分。主電路部分由以TI公司的處理器芯片TMS320VC5402為主體的數字電路構成；外設部分由相關外圍接口電路構成。按照功能不同可以分為以下幾個模塊：DSP最小系統、網卡接口電路、PCI接口、串口收發電路、模擬量，脈沖量和開關量的接口、人機交互接口。
2.2 硬件系統各功能模塊介紹
2.2.1 DSP 獨立小系統接口電路
所謂最小系統是指在盡可能少的外部元器件和電路條件下，形成一個使DSP能夠正常運行的最簡單的系統。本系統采用16位定點DSP TMS320VC5402為核心器件，構成整個系統控制核心。由于選用的TMS320VC5402其片內有可用于數據、程序空間的存儲器，因此，最小系統可由DSP本身以及晶體振蕩器、復位電路、譯碼電路等組成。
2.2.2 以太網通信接口電路設計
基于嵌入式系統的運動控制器非常重要的功能之一就是要實現網絡信息傳遞。因此需要s用網絡接口芯片來實現網絡之間通信。在本系統中采用了REALTEK公司的RTL8019AS網絡接口芯片。
RTL8019AS 引腳可分為電源及時鐘引腳、網絡介質接口引腳、自舉ROM及初始化EEPROM接口引腳、主處理器接口引腳、輸出指示及工作方式配置引腳。由此將網卡硬件接口電路設計主要分為兩大部分：第一部分為網卡與DSP接口實現，第二部分為網卡芯片外圍電路設計。RTL8019AS的總線接口是與ISA總線兼容的，雖然不能與5402的外部總線直接接口，但是只要進行一些簡單的邏輯變換就可以了。另外，5402和RTL8019AS的引腳電平不兼容，因此它們之間對應的引腳不能夠直接相連，需要在中間加上電平轉換芯片，系統中的CPLD可以完成電平轉換功能，通過CPLD還能夠產生RTL8019AS的控制邏輯信號。
2.2.3 PCI 接口設計
由于在系統中對數據傳輸的速度以及實時性要求較高，所以采用方法之一即通過 PCI局部總線的方法與主機的進行通訊。這比傳統的通過ISA總線的方式來通訊的方法具有速度高、可即插即用、可移植性好等方面的優勢。在本系統中，采用 TI的專用配套芯片PCI2040將PCI總線與DSP5402的HPI（Host Port Interface）接口進行連接。
圖1 運動控制器硬件框圖
圖2 AD轉換接口電路圖 圖3 DA轉換接口電路圖
2.2.4 RS-422A串口設計
RS422A 是一種以平衡方式傳輸的標準，可雙端發送、雙端接收。發送端和接收端分別采用平衡發送及差動接收。通過前者把邏輯電平變成電位差，完成始端信息傳送；通過后者把電位差變成邏輯電平，完成終端信息接收。并且RS422A采用雙線傳輸，大大提高了抗干擾能力。最大傳輸速率可達10 Mb/s（傳輸距離15 m時），傳輸速率降至90 kb/s時，最大傳輸距離可達1200 m，這能充分滿足系統的遠程要求。
RS422 通信接口芯片的選擇需要考慮芯片的通信速率是否滿足要求, 在設計中選擇MAXIM 的MAX3291 芯片。MAX3291 是一種全雙工的高速的RS422 通信接口芯片,具有輸出短路保護功能以及接收失效保護功能,它通過減少由長線引起的內部信號干擾來增加可靠通信的距離與速度,通信速度可以達到5～10 Mbps。同時,它還允許多達128 路同樣的RS422 通信接口芯片接在同一總線上,這為多機通信提供了方便。
2.2.6 D/A 轉換接口的實現
D/A轉換芯片采用TI公司的DAC7625UB。DAC7625UB與DSP的接口硬件電路如圖3所示。
圖中VrefH、VrefL分別為DA轉換的參考高電壓和參考低電壓，它表示模擬量輸出在兩者之間變化；CSDAC為選通信號低電平有效；R/W為讀/寫信號，高電平代表處理器向DA發出讀命令，低電平表示向DA發出寫命令； DA1-DA3表示4通道的模擬量輸出接口用來指示AD轉換完成；RST作為DA的復位信號，當該復位有效時，DA處于初始狀態；LDAC為處理器裝載 DA的使能信號。同樣，DA的這些控制和狀態信號都連在CPLD的I/O上，通過對CPLD編程即可實現處理器和DA的接口。
2.2.7 開關量和脈沖量接口
系統提供7路標準TTL電平的脈沖量輸入輸出接口。包括2路20s一個下降沿有效的脈沖；2路周期分別為20ms和5ms，3V－5V差分方式脈寬 10us-20us，脈沖上升沿不超過0.5us；周期1ms，3V－5V差分方式脈寬10us-20us的信號3路。同時還需要處理14路直流+24V 和4路直流+27V開關量。可以通過CPLD實現這部分功能，并且使系統具有可擴展性。由于脈沖量和開關量接口部分的電平與系統提供的電平不一樣，因此需對脈沖量進行隔離轉換，用到的器件主要是光電隔離和運算放大器。
脈沖量隔離轉換電路是為了測量脈沖量周期、頻率等值設計的，脈沖量通過高速光電隔離器件6N137進行電氣隔離，減少干擾，然后送入CPLD，通過編寫相應的硬件描述語言，實現脈沖信號周期、頻率的測量。
3 實驗結果和結論
在完成運動控制器硬件設計之后，我們使用TI的集成開發環境CCS進行開發，通過仿真器在開發目標板上進行仿真調試，現已脫機運行。初步實驗表明該平臺實現了多路模擬量、脈沖量和開關量的輸入輸出，能完成與網絡中其它主機通信。由于TMS320VC5402強大的運算功能，因此很容易就可實現多傳感器采集數據的信息融合和相應的位置控制算法。
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